一种绿色节能非成岩水合物二次破碎装置及方法与流程

本发明涉及海底天然气水合物开采的技术领域，更具体地讲，涉及绿色节能非成岩水合物二次破碎装置及方法。

背景技术：

近年来天然气水合物得到诸多国家的深入研究，探索高效开采海洋天然气水合物的开采方法，已成为当前世界研究热点。我国南海天然气水合物资源储存丰富。但其中约85％天然气水合物以弱胶结形式(非成岩)赋存于深海海底浅层沉积物中。

目前针对成岩天然气水合物的开采方法有注入法、降压法、注化学剂法以及上述几种方法的联合应用等。但目前已在南海进行了两次试采取样，从取样结果看，我国天然气水合物具有埋藏浅、胶结性差的特点。针对这种海底浅层弱胶结的天然气水合物，有专家提出固态流化开采的概念：在不改变天然气水合物温度的条件下，直接利用机械采掘的方法将水合物破碎成细小颗粒，然后与海水混合输送至海面，最后利用海表的热海水促使天然气水合物颗粒分解生成天然气。

但是，在固态流化开采过程中，为使得后续管输过程更顺利地进行，开采出的非成岩水合物需进行采掘后的二次或多次破碎过程，以达到合适的粒径比。因该过程在海底进行，绿色、节能是破碎工程中十分重要的要求。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种在天然气水合物固态流化开采方法中，能够最大化利用能量且最小化对海底生态稳定产生负面影响的绿色节能二次破碎方法和装置。

本发明的一方面提供了绿色节能非成岩水合物二次破碎装置，所述二次破碎装置包括破碎管道、海水注入单元、动力单元、破碎单元和监测控制单元，其中，

所述海水注入单元包括热海水输入管和设置在热海水输入管的入口处的电磁阀，所述热海水输入管从破碎管道的中部伸入破碎管道中并且所述热海水输入管包括与破碎管道垂直设置的垂直管段和与破碎管道同轴设置的平行管段，所述热海水输入管的出口与破碎管道的出口位于破碎管道的同一侧；

所述动力单元设置在破碎管道中并且包括旋转轴、水动力子单元和电动力子单元，所述旋转轴伸入所述热海水输入管中并与所述热海水输入管的平行管段同轴设置，所述水动力子单元包括套装在所述旋转轴一端的若干组水动力涡轮并且所述若干组水动力涡轮位于所述热海水输入管的平行管段中，所述电动力子单元包括电机并且所述电机能够驱动旋转轴的旋转；

所述破碎单元设置在破碎管道中并且靠近破碎管道的入口设置，所述破碎单元包括若干组切削刀头，其中，每组切削刀头包括套装在所述旋转轴的另一端的动刀片和固定在所述破碎管道内壁面上的静刀片；

所述监测控制单元包括计算机信息处理系统以及与所述计算机信息处理系统电连接的粒度监测子单元、温度监测子单元、流量监测子单元和扭矩转速监测子单元。

根据本发明绿色节能非成岩水合物二次破碎装置的一个实施例，所述热海水输入管和旋转轴均通过支撑结构固定在破碎管道中，所述若干组水动力涡轮通过所述支撑结构和设置在热海水输入管与旋转轴之间的轴承实现支撑与传动。

根据本发明绿色节能非成岩水合物二次破碎装置的一个实施例，所述水动力子单元提供破碎非成岩水合物的主要动力；当水动力子单元的动力不足时，电动力子单元提供破碎非成岩水合物的主要动力且水动力子单元提供非成岩水合物的辅助动力。

根据本发明绿色节能非成岩水合物二次破碎装置的一个实施例，所述破碎单元至少包括三组切削刀头，并且所述三组切削刀头的动刀片和静刀片交错布置。

根据本发明绿色节能非成岩水合物二次破碎装置的一个实施例，所述粒度监测子单元包括设置在所述破碎管道的入口处的第一粒度监测仪和设置在所述破碎管道的出口处的第二粒度检测仪。

根据本发明绿色节能非成岩水合物二次破碎装置的一个实施例，所述温度监测子单元包括设置在热海水输入管的入口处的第一温度监测仪、设置在热海水输入管的出口处的第二温度监测仪和设置在破碎管道的出口处的第三温度监测仪。

根据本发明绿色节能非成岩水合物二次破碎装置的一个实施例，所述流量监测子单元包括设置在热海水输入管的入口处的第一流量监测仪、设置在热海水输入管的出口处的第二流量监测仪和设置在破碎管道的出口处的第三流量监测仪。

根据本发明绿色节能非成岩水合物二次破碎装置的一个实施例，所述扭矩转速监测子单元包括设置在所述旋转轴与热海水输入管的交接处的扭矩传感器和转速传感器。

根据本发明绿色节能非成岩水合物二次破碎装置的一个实施例，所述破碎装置中的各组件均采用适合流体流动的流线化结构并且进行防冲蚀表面处理。

本发明的另一方面提供了绿色节能非成岩水合物二次破碎方法，所述绿色节能非成岩水合物二次破碎方法采用上述绿色节能非成岩水合物二次破碎装置对采掘得到的非成岩水合物进行二次破碎，从破碎管道的出口流出的浆体与从热海水输入管的出口流出的海水在后续设备中混合。

与现有技术相比，本发明的绿色节能非成岩水合物二次破碎装置及方法在海底进行的破碎采用热海水动能带动水动力涡轮进而带动切削刀头对开采出的大块水底沉积物进行二次破碎的方式，在实现无污染的同时最大限度地节约能量。作为动力源的热海水在后续水合物流化管输的过程中还有进一步提升海水温度的作用，最大限度地实现循环利用。同时，将动力管线与水合物破碎管线隔开有利于控制水合物分解，减少水合物分解过快造成的设备隐患。

附图说明

图1示出了根据本发明示例性实施例的绿色节能非成岩水合物二次破碎装置的结构示意图。

图2A示出了沿着图1的A-A线截取的剖视图。

图2B示出了沿着图1的B-B线截取的剖视图。

图2C示出了沿着图1的C-C线截取的剖视图。

附图标记说明：

10-破碎管道、11-破碎管道的入口、12-破碎管道的出口、20-热海水输入管、21-垂直管段、22-平行管段、23-热海水输入管的入口、24-热海水输入管的出口、30-电磁阀、40-旋转轴、50-水动力涡轮、60-电机、70-切削刀头、71-动刀片、72-静刀片、80-计算机信息处理系统、81-第一粒度监测仪、82-第二粒度监测仪、83-第一温度监测仪、84-第二温度监测仪、85-第三温度监测仪、86-第一流量监测仪、87-第二流量监测仪、88-第三流量监测仪、89-扭矩转速监测子单元、90-支撑结构。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本发明实际上是在海底进行的破碎并采用热海水动能带动水动力涡轮进而带动切削刀头对开采出的大块水底沉积物进行二次破碎的方式，在实现无污染的同时最大限度地节约能量。

下面将先对本发明绿色节能非成岩水合物二次破碎装置的结构和原理进行详细的说明。

图1示出了根据本发明示例性实施例的绿色节能非成岩水合物二次破碎装置的结构示意图；图2A示出了沿着图1的A-A线截取的剖视图；图2B示出了沿着图1的B-B线截取的剖视图；图2C示出了沿着图1的C-C线截取的剖视图。

如图1和图2A至图2C所示，根据本发明的示例性实施例，所述绿色节能非成岩水合物二次破碎装置包括破碎管道10、海水注入单元、动力单元、破碎单元和监测控制单元。

破碎管道10主要用于输送采掘得到的非成岩水合物并作为破碎的主要场所，本发明直接利用该破碎管道对采掘得到的非成岩水合物进行破碎，从而得到能够直接进行后续分离、分解和流化的浆体。根据本发明，破碎管道10的入口可以与非成岩水合物采掘组件(未示出)连接且出口与浆体分离或混合组件(未示出)连接，由此实现在输送非成岩水合物的同时对其进行绿色、节能破碎的功能；海水注入单元用于向破碎管道中提供热海水并提供破碎非成岩水合物的主要动能；动力单元与海水注入单元联用，提供破碎非成岩水合物的动力；破碎单元与动力单元联用，在动力单元的带动下实现对非成岩水合物的破碎处理；监测控制单元用于对整个装置的参数进行监测并利用所监测到的各参数进行破碎处理的全过程控制和调节。

根据本发明，海水注入单元包括热海水输入管20和设置在热海水输入管20的入口23处的电磁阀30，热海水输入管20从破碎管道10的中部伸入破碎管道10中并且热海水输入管20包括与破碎管道10垂直设置的垂直管段21和与破碎管道10同轴设置的平行管段22，热海水输入管20的出口24与破碎管道10的出口12位于破碎管道10的同一侧。其中，海水注入单元作为提供破碎主要动力的重要组件，本发明创造性地采用套管的结构将其设置在破碎管道10中，即将作为动力管线的热海水输入管20与作为水合物破碎管线的破碎管道10隔开，使热海水输入管20套装在破碎管道10内，这有利于控制非成岩水合物的分解并减少非成岩水合物分解过快造成的设备隐患。电磁阀30能够控制热海水输入管20的流量大小，从而控制热海水的输入量。具体地，热海水的输入量可以通过破碎管道的出口12处反馈得到的破碎后浆体的平均粒径数据来进行控制和调节。

动力单元设置在破碎管道10中并且包括旋转轴40、水动力子单元和电动力子单元，其中，旋转轴40伸入热海水输入管20中并与热海水输入管20的平行管段22同轴设置，水动力子单元包括套装在旋转轴40一端的若干组水动力涡轮50并且若干组水动力涡轮50位于热海水输入管20的平行管段22中，电动力子单元包括电机60并且电机60能够驱动旋转轴40的旋转。电动力子单元由电机60作为能量输出带动破碎单元动作；水动力子单元则由多组水动力涡轮组成，优选地，为了提供能够保证破碎强度的扭矩和转速，至少设置三组水动力涡轮。若水动力子单元可以提供全部符合要求的能量，则由水动力子单元单独输出；若水动力子单元提供能量不足，则由电动力子单元作为主要输出，水动力子单元作为辅助能量。即，水动力子单元提供破碎非成岩水合物的主要动力；当水动力子单元的动力不足时，由电动力子单元提供破碎非成岩水合物的主要动力且由水动力子单元提供非成岩水合物的辅助动力。

优选地，热海水输入管20和旋转轴40均通过支撑结构18固定在破碎管道10中，若干组水动力涡轮50通过支撑结构90和设置在热海水输入管20与旋转轴40之间的轴承(未示出)实现支撑与传动。

破碎单元设置在破碎管道10中并且靠近破碎管道10的入口11设置，破碎单元包括若干组切削刀头70，其中，每组切削刀头70包括套装在旋转轴40的另一端的动刀片71和固定在破碎管道1内壁面上的静刀片72。其中，切削刀头70的组数可以根据采掘吸入的非成岩水合物的平均粒径及开采地层的岩土力学性质来调整。每组切削刀头70中的动刀片71和静刀片72互相配合，实现较佳的破碎效果。优选地，为了提供能够保证破碎强度达到沉积物破碎的粒径要求，至少设置三组切削刀头70；并且，当设置有多组切削刀头70时，需保证动刀片71和静刀片72交错布置。

监测控制单元包括计算机信息处理系统80以及与计算机信息处理系统80电连接的粒度监测子单元、温度监测子单元、流量监测子单元和扭矩转速监测子单元。其中，粒度监测子单元用于监测非成岩水合物破碎前后的粒度并判断是否符合破碎要求；温度检测子单元用于监测管道入口或出口处的流体温度；流量监测子单元用于监测管道入口或出口处的流体流量；扭矩转速监测子单元用于监测旋转轴的扭矩和转速。

根据本发明的一个实施例，粒度监测子单元包括设置在破碎管道10的入口11处的第一粒度监测仪81和设置在破碎管道10的出口12处的第二粒度检测仪82；温度监测子单元包括设置在热海水输入管20的入口23处的第一温度监测仪83、设置在热海水输入管20的出口24处的第二温度监测仪84和设置在破碎管道10的出口12处的第三温度监测仪85；流量监测子单元包括设置在热海水输入管20的入口23处的第一流量监测仪86、设置在热海水输入管20的出口24处的第二流量监测仪87和设置在破碎管道10的出口12处的第三流量监测仪88；扭矩转速监测子单元89包括设置在旋转轴40与热海水输入管20的交接处的扭矩传感器和转速传感器。其中，设置在热海水通过水动力涡轮后的第二温度监测仪为热海水离开水动力涡轮并进行了一段时间的热交换及过程中发生的振动与摩擦造成的温度变化提供温度监控，便于后续管输混合的开展。

监测控制单元根据所测破碎前后浆体的粒度、流体温度、流体流量以及旋转轴的扭矩和转速等数据调节海水注入单元的电磁阀的开度大小，进而调节热海水流量并调整破碎动作，同时能够为后续过程(如热海水与浆体的混合)提供基础数据。优选地，还可以在破碎管道10的入口处也设置流量监测仪，以对大块非成岩水合物进入破碎装置的流量进行监测。

优选地，本发明二次破碎装置中的各组件均采用适合流体流动的流线化结构并且进行防冲蚀表面处理，可以采用常用的流线化结构设计和常用的防冲蚀表面处理，在此不过多的进行限定。

本发明还提供了绿色节能非成岩水合物二次破碎方法，该绿色节能非成岩水合物二次破碎方法采用上述绿色节能非成岩水合物二次破碎装置对采掘得到的非成岩水合物进行破碎，之后从破碎管道的出口流出的浆体与从热海水输入管的出口流出的海水在后续设备中混合。

根据本发明，具体的操作方法如下：

根据进入破碎管道前的非成岩水合物的平均粒径及岩土特性以及后续管输要求设置破碎后浆体的粒径要求，再根据经验公式设置切削刀头组数和水动力涡轮组数，并设定热海水输入管入口处的电磁阀流量。

首先开启热海水注入，通过扭矩转速监测子单元测得扭矩和转速，待其达到要求并稳定后，使采掘出的非成岩水合物流体进入破碎装置中进行二次破碎。当非成岩水合物流体经过破碎装置得到二次破碎后，其流经破碎管道出口处的第二粒度检测仪并测得破碎后的浆体平均粒径，经监测控制单元控制和调节直至浆体粒径符合要求。当浆体粒径符合要求后，破碎后的浆体和热海水会分别经过相应的温度监测仪和流量监测仪监测，最终在后续设备中混合。

特别地，装置若达到流量改变转速的极限值，则需改变切削刀头的数量。并且，本发明的二次破碎装置整体设计包含为符合实际工况做出的水动力涡轮、切削刀头、密封装置、管道、检测装置的配套设计等，在此不作赘述。

下面结合具体示例对本发明作进一步说明。

进入破碎管道前的非成岩水合物的平均粒径为30mm，岩土特性为以黏土为基架的可燃冰沉积层；根据后续管输要求，破碎后的浆体粒径要求达到10mm。

根据经验公式设置三组切削刀头并设置三组水动力涡轮，设定热海水输入管的入口处电磁阀控制流量在2000方/小时，以保证提供足够的扭矩与转速。若水动力子单元无法提供足够动力，则改由电动力子单元提供主要能量并由水动力子单元提供辅助动力。

首先开启热海水注入，待通过扭矩转速监测子单元测得扭矩和转速并达到要求和稳定后，使采掘出的非成岩水合物流体进入破碎装置。当非成岩水合物经过破碎装置得到破碎后，流经破碎管道出口处的粒度检测仪并测得破碎后浆体的平均粒径。经监测控制单元控制，若破碎后浆体的平均粒径大于10mm，则增大电磁阀开度并增加热海水流量，直至粒径符合要求；同理，若破碎后浆体的平均粒径小于10mm，则减小电磁阀开度并减少热海水流量，直至粒径符合要求。当破碎后浆体的平均粒径符合要求后，破碎后的浆体和热海水会分别经过出口处设置的温度监测仪和流量监测仪，最终在后续设备中混合。

本发明的二次破碎装置是非成岩水合物固态流化开采中的重要功能部分。同时，本发明还适用于其他对疏浚后粒径要求较高的疏浚场合。特别地，本发明所采用的动力传输方式在实现功能要求的同时最大限度地实现了绿色节能，结构简单且适于海底等复杂环境中的使用，可作为对于采掘后粒度要求较高的水底沉积物开采工程装备。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。